示波器 - 相關術語介紹

寫在開頭

學習一樣新事物總會帶來很多新的專業名詞。在學習新事物之前先大致瞭解一下相關的專業術語,可以幫助我們在學習的過程中事半功倍,不至於在遊覽一些相關文章的時候看地一頭霧水。學習示波器也一樣。下面我們將和大家認識一些示波器的常用術語。

 

術語的解釋其實十分困難,雖然本身的目的就是爲了讓不懂此領域的新人快速入門,但往往術語解釋中又包含各種術語,令學習者頭疼。本文在講述示波器性能相關術語時,將儘可能的簡潔明瞭,讓剛學習示波器的人,能夠有大致的瞭解,幫助新人快速地接受這些術語。

 

 

示波器的波形相關術語

具有時空週期性的事物就可以稱之爲波,波動是時間和空間的雙重週期運動。例如,聲波,水波,腦電波,電磁波等。而示波器測量的是電壓的波動。一個波的週期,就是波數次重複的其中一次所花的時間。波形就是波的圖像表達模型。電壓波形展示的就是電壓(Y軸)隨時間(X軸)的變化。

 

從這個波形中我們可以得出改信號的大量信息。從波形高度的改變,你得知電壓的改變。

如果波形的其中一段出現一條直線,你就知道在該段時間內,電壓沒有變化。一條筆直的斜線,表明電壓上升或下降的速率穩定(電壓加速度爲0)。而波形上的銳角意味着電壓的突變。下面是一些常見的電壓波形圖和常見的波形源。

 

常見電壓波形圖

 

常見波形源

 

示波器的波形種類

大多數的波形,都可以歸類爲下面幾種:

  • 正弦波

  • 方波和矩形波

  • 鋸齒波和三角波

  • 沿和脈衝

 

正弦波:

正弦波是一種基本的波形,我們家裏牆上的插座輸出的電壓波形就是正弦波,由信號發生器的振盪器產生的測試信號通常也是正弦波。大多數交流電源都會產生正弦波。

阻尼振盪波形是一種特殊的情況,在一個振盪的電路中,電壓隨着時間的流逝逐漸減弱。

 

方波和矩形波:

矩形波是另一種常見的波形。簡單的講,矩形波就是直流電壓有規律間斷性地開和關。這是測試放大器的標準波形,高質量的放大器方波的失真度就越低。電視,廣播和計算機電路經常使用方波作爲定時信號。

矩形波和方波類似,方波的正負脈寬相同,而矩形波可以是任意的。這點在數字電路測量中尤爲重要。

 

 

鋸齒波和三角波:

鋸齒波和三角波是由設計用於線性控制電壓的電路產生的,例如模擬示波器的水平掃描或電視的光柵掃描。這些波的電壓以恆定速率變化。

 

沿和脈衝:

電壓的瞬間變化就會在波形中形成沿,電壓由低到高會形成上升沿,比如你打開電源開關的時候,由高到低就會形成下降沿,比如你關閉電源開關的時候。而整個打開然後過了一會關閉的動作下來,就會形成一個脈衝。它可能代表計算機電路傳輸的一點信息,也可能是電路中的故障或缺陷。

一整排連續的脈衝就叫脈衝序列,計算機中的數字組件使用脈衝相互通信。脈衝在X射線和通信設備中也很常見。

 

 

 

示波器的常用波形測量項

 

 

週期和頻率:

如果一個信號是重複的,則它便具有頻率。頻率以赫茲(Hz)爲單位,等於信號在一秒鐘內重複自身的次數。具有重複性的信號也就有了週期,它指代信號在多次重複的過程中其中一次所花的時間。

因此,週期和頻率互爲倒數。

下面的例子中是一個正弦波,它的頻率是3HZ,週期是1/3秒。

 

電壓:

電壓是指電路中兩點之間的電位或信號強度。一般來說其中一個點是接地點(0V),但也並非一直如此。要測量波形從最大峯值到最小峯值的電壓,這稱爲峯峯值電壓。幅值通常指從接地點測得的信號的最大電壓。下面的例子所示的波形幅值爲1V,峯峯值電壓爲2V。

 

相位:

觀察正弦波可以很好的解釋相位的概念。一個圓有360°,正弦波的電壓呈循環運動。所以一個正弦波的週期也可以有360°。如上圖所示。當你想描述一個波形的週期經過多少量時,您可以使用度來描述正弦波的相角。相移描述了兩個類似信號之間的定時差。如下圖所示,電壓的波形相對於電流的波形的相位是90°,因爲這兩個波型在週期中到達同一個點的距離是一個週期的1/4(360°/4=90°)。相移在電子器件中十分常見。

帶寬:
帶寬是示波器的首要指標,這個指標可以告訴我們示波器能準確測量信號的頻率範圍。當信號頻率到達一定程度後,隨着信號頻率的增加,示波器準確測量信號的能力會減弱。
示波器的帶寬是指在示波器的輸入端加正弦波,幅度衰減至-3dB(70.7%)時的頻率點就是示波器的帶寬。如果我們用100MHz帶寬的示波器測量:幅值爲1V ,頻率爲100MHz 的正弦波時,實際得到的幅值會不小於0.707V。
示波器的帶寬越高,實際測量也就越精確,當然價格和成本也會更高,那麼我們需要多大帶寬的示波器才合適呢?一般所測信號最大頻率的5倍,就是最合適的帶寬。
 
上升時間:
上升時間是描述示波器可測頻率範圍的另一種參數。 當您期望測量脈衝和沿時,上升時間可能是更合適考慮的性能參數。 當一個脈衝的上升時間快於示波器標稱的上升時間時,該信號將無法被準確測量。
 
垂直檔位:
垂直檔位指代示波器縱座標上每一格的電壓值,也表示垂直放大器可以放大微弱信號的程度。通常用mV/div或V/div標識。一般示波器的最小垂直檔位爲1mV每格。
 
時基:
時基指代示波器橫座標上每一格的時間。
 
 
增益精度和垂直分辨率:
增益精度表示垂直系統衰減或放大信號的精度,通常用的示波器的增益精度在<±2%
垂直分辨率表示示波器模數轉換器把輸入電壓轉換成數字值的精度。垂直分辨率用位數表示,比如麥科信的STO系列示波器的垂直分辨率是8位。計算技術可以改善有效分辨率。
 
採樣率:
示波器顯示的波形其實都是由一個一個點組成的,採樣率就代表了示波器每秒能捕獲多少採樣點的能力。示波器能捕獲的採用點越多,波形就越接近信號本身,越不容易失真。大多數示波器標稱的都是其最大採樣率。如果你想觀察一個長時間的波形,那麼示波器的最小採樣率就十分重要,因爲採樣率是基於示波器存儲深度(記錄長度),隨波形記錄時長而改變的。
 
 
存儲深度(記錄長度):
存儲深度這個參數說明了示波器一屏幕最多能顯示多少個波形點。一些示波器支持調節存儲深度的大小。由於示波器能存儲的採樣點有限,因此在測試的時候,我們必須在波形細節和波形時長之間做出取捨。選擇一個短時間的波形,但是能看到更多的波形細節。或選擇記錄一個長時間的波形,但是可能會導致波形失真。
 
 
波形捕獲率:
示波器能將信號捕捉,然後通過計算顯示在屏幕上。但是捕捉信號和計算顯示信號這2個動作是無法同時進行的,也就是說,示波器在計算顯示信號的時候,是不會捕獲信號的,這部分信號就會丟失,也稱之爲死區時間。示波器每秒能捕獲波形的次數,就是示波器的波形捕獲率,用波形/秒(wfms/s)表示。採樣率表明了示波器每秒捕獲數據點數量的能力,波形捕獲速率則是指示波器每秒採集波形的速度有多快。
波形捕獲速率高的示波器可以更好地觀察信號特點,大幅度提高示波器迅速捕獲瞬態異常信號的概率,如抖動、欠幅脈衝、毛刺和跳變誤差。
 
觸發:
示波器的觸發功能在正確的信號點同步掃描,可以穩定重複的波形或捕獲單次波形。通過重複顯示輸入信號的同一部分,使重複的波形能夠穩定地顯示在示波器的屏幕上。如果每次掃描都從信號上不同位置開始,屏幕上出現的波形就會非常雜亂,很難觀察計算。
 
沒有觸發的畫面

 

 

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